Google演算法可用降噪耳機量測心率

Google一項研究顯示，降噪耳機除了可放音樂外，還能用來監測運動時的心率，而且Google研發的偵測技術，比現行主流技術不受膚色影響判讀準確性。媒體推測，這可能會內建到Google下一代智慧型耳機Pixel Buds中。

Google上周在MobiCom2023公布名為心臟監測的聲音體積描記圖（Audioplethysmography，APG）方法的論文，介紹經由耳機偵測心臟健康的方法。這個方法可配合耳道式主動降噪（active noise cancelling，ANC）耳機，來偵測心率甚至心律變異（HRV）等健康量測值。

現行以穿戴裝置為基礎的健康偵測，主要是整合光體積變化描記圖法（Photoplethysmogram，PPG）及心電圖（electrocardiogram，ECG）和微控制器，來偵測睡眠、心率、血壓等。但這類方法成本高、較耗電、聲學設計較複雜、還增加裝置重量，使得這種方法也難設計成耳機。另一個問題是，PPG是以光為基礎的偵測，還會受到受測者膚色影響。

而主動式降噪耳機則提供另類方法。之前也有人已經發展耳機麥克風來偵測心率、呼吸、身體活動及診斷耳朵疾病。消費者用的耳罩式主動降噪耳機則內建高通濾波器，來過濾掉身體運動產生的聲音或風聲。此外，耳道式耳機的被動聽取訊號，則仰賴耳塞品質好壞。種種因素限制了耳罩式耳機並不適合（小於50Hz的）低頻訊號的被動偵測。而耳道式主動式降噪耳機，則可避免以上缺點。

耳道式耳機原理是透過喇叭釋放低密波超音波訊號觸發回音，再由耳機上的回饋麥克風接收。Google開發了一個圓柱回響模型的同調檢測（coherent detection）法來分析APG波型，發現最終的APG波形和PPG波形相似度極高，而且動脈切跡（dicrotic notch）更明顯，這表示能從血壓波形提供動脈系統（如血壓值）更多資訊。

Google又使用頻道分集（channel diversity）手法確保提高APG訊號及抗運動雜訊的能力。最後Google發現到偵測最佳心搏波形及心律變異的頻率，在30到32 kHz之間。

在測試中，Google小組將其方法套用市售ANC耳機，並以Polar ECG運動量測胸帶作為對照組。他們找來153名受試者進行2次測試，結果顯示APG方法在心率及心律變異的絕對誤差中值分別為3.21%和2.7%，顯示為穩定的準確率。這表示，APG方法不像PPG偵測會受到受試者膚色影響準確率。

Google的研究提出比現行穿戴式裝置主流的PPG技術，擁有成本更低、不受使用者膚色影響、適用多種運動、而且軟體升級容易等優點。內建在耳機中，超音波訊號也不會干擾音樂播放，有助於此類產品的普及。

本論文是由9to5Google首先報導。該網站10月初也報導，Google測試中的Pixel Buds App程式碼分析顯示，下一代Pixel Buds可能包含偵測音量以維持聽力健康，以及可切換降噪和通透模式的對話偵測功能。